圣彼得堡大学的物理学家们已不是第一次在欧洲核子研究组织(CERN)参与大型强子对撞机(LHC)国际实验。这些科学家们身处 ALICE(A Large Ion Collider Experiment,大型离子对撞机实验)实验的最前沿,寻找夸克胶子等离子体,它们是早期宇宙的原始物质。

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作为这项任务的补充,欧洲核子研究组织在 2020 年的另一个大型科研项目中组装了 NA61/SHINE 设施,用以研究强相互作用力的性质。尽管 2020 年发生了新冠疫情,大型强子对撞机还是引入了圣大研究人员的最新设计。

对夸克胶子等离子体(QGP,一种物质极端状态)的研究是大型强子对撞机的主要工作领域之一。根据现代物理学公认的概念,早期宇宙在大爆炸之后的最初几毫秒内便处于这种超高温和超稠密的状态。

以超相对论性原子核的正面碰撞进行的 ALICE 实验使重现夸克胶子等离子体的过程成为可能。ALICE 设施是一个巨大的物理设备,包含 20 多个监测系统。其大小可与 16 米高,

26 米宽的房屋相媲美,重达 1 万吨,位于地下 56 米处由 LHC 加速的质子和原子核束的相交点上。

当下,有来自 39 个国家地区的 176 所科学机构的 1933 名科学家在 ALICE 项目工作,人员中包括圣大超高能物理实验室的研究人员、本科生和研究生。圣彼得堡大学的科学家为该装置的组建做出了贡献,并定期提出各种改进方案。

1992 年以来,圣大研究人员已成为组建 LHC 实验的国际物理学家社区的积极参与者。彼时,在讨论用于超相对论核碰撞中的夸克胶子等离子体的未来 ALICE 设施概念的全球讨论中,来自圣彼得堡的两个想法脱颖而出。

——圣大超高能物理实验室负责人,圣大高能粒子与基本粒子教研室副教授格里高利·费奥菲洛夫(Григорий Феофилов),曾担任(从 1992 年至 2002 年)ALICE 项目负责人十年,并开发两个中控系统。

“当时我们建议,围绕原子核碰撞点建立 ALICE 中央监测系统,可以非常精确地检测包括奇夸克在内的粒子,建议被采纳了。根据理论预测,奇异粒子和多奇异粒子的出现可能是夸克胶子等离子体形成的信号之一。从那以后,圣大便一直参加 CERN 和 ALICE 的国际学术合作工作”,费奥菲洛夫说道。

当下圣大研究人员正在参加的 CERN 的第二项基础科学实验,是 LHC 加速环之一的质子超级同步加速器(SPS)上的 NA61/SHINE(SPS 重离子和中微子实验)装置。该实验研究由各种粒子束(铍、氩、氙的介子、质子与原子核)与许多固定核靶相互作用而产生的强

子最终形态。 来自 14 个国家 28 个研究机构的 140 位物理学家在 NA61/SHINE 项目工作。

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NA61/SHINE 实验的主要目标是研究强互作用力的性质,寻找核物质的临界点并解决夸克的约束难题。

NA61/SHINE 的安装。背面的透明结构是世界上最大的时间投影摄像机,用于记录光束与目标核相互作用后产生的带电粒子轨迹。NA61/SHINE 合作照片

“强子的超相对论碰撞过程,大量粒子(包括奇异粒子和多奇异粒子)的产生机制,对上述研究的兴趣驱使着我们。今天,我们正在 CERN NA61/SHINE 项目参加国际科学实验,项目正在扫描强相互作用核物质的相图,这将大大拓宽强互作用力研究的前景”,格里高利·费奥菲洛夫补充道。

参加CERN项目的圣大工作组包括经验丰富的科学家和年轻学者。在参与各种实验的30 人中,约有一半是本科生和研究生。在 2019 年和 2020 年,圣彼得堡国立大学和欧洲核子研究组织在顶级学术期刊上联合发表了 87 篇文章,其中便有年轻科学家的参与。

ALICE 迷人的“心脏”

圣大参与了 ALICE 的硅晶“心脏”的搭建——即内部跟踪系统。这项开发历时 16 年,由 15 个科学机构组成的国际团队进行,其中包括圣大,彼时俄罗斯国内唯一的参与方。内部跟踪系统是 ALICE 设施中最核心的检测系统,由超薄(约 350 微米)硅晶片组成。该系统可保障奇异超子和多奇异超子衰变峰的超精确记录。

“我们所说的粒子包含一两个或三个奇异夸克,它从出生点飞出几厘米后便会衰变。内部跟踪系统的结构设计对‘显微镜镜头’提出了极高的要求,但仅要求在总体辐射透明性方面:换而言之,就是要求从原子核碰撞点飞出的粒子飞行路径上的任意物质为最小。在 1992 年这样的解决方案还不存在”,格里高利·费奥菲非洛夫说道。

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摄于 2007 年。ALICE 的“心脏”,内部跟踪系统的组装已经完成,并且正准备在大型强子对撞机上安装。圣彼得堡方面参与开发。ALICE 合作照片

“这是一个非常严峻的挑战,因为必须确保在工作区域内使用最少的物质,同时还要从电子设备中降低高达 10 kW 的热能,并且内部跟踪系统所有硅晶传感器的热力学稳定性应保持在大约 10 微米的水平,后者用于追踪穿过硅晶的粒子。这个复杂问题的解决方案是由圣彼得堡国立大学开发的,来自圣彼得堡各研究所(中央机器制造设计局、全俄门捷列夫度量衡科学研究所、‘先锋’研究所和‘花岗岩’中央科学研究所)的许多一流工程师参加了研发。在国际团队的共同努力下,内部跟踪系统于 2008 年投入运行。大型强子对撞机启动后,它立刻就获得了第一批物理学成果”,费奥菲非洛夫说道。

从 2008 年到 2018 年,ALICE 在大型强子对撞机的粒子束中稳定工作,并记录了加速至接近光速的质子和铅原子核的碰撞。

2020 年,欧洲核子研究组织开始在宇宙射线中测试更新后的 ALICE 设施。圣大的科学家们提供了第二代内部跟踪系统的开发思路,并参与了验证。

系统更新的目标之一,是能够在粲粒子生成时记录其“粲魅”而罕见的过程。为此,有必要使新的第二代内部跟踪系统更加精确。

科学家们需要基于最新的,具有辐射透明性独特参数的快速单片有源硅像素传感器(MAPS)来搭建高速内部跟踪系统。第二代内部跟踪系统包括 20.4 万像素的 MAPS 传感器,其厚度为 50 微米,尺寸为 15 x 30 毫米,像素大小为 28 x 28 微米,一个传感器包含

51.2 万像素。新一代传感器的总面积约为 10 平方米。

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圣大核物理研究方法学教研室副教授弗拉基米尔·热列布切夫斯基(Владимир Жеребчевский)正在检查用于制造超轻碳复合材料桁架的碳纤维铺设质量。格里高利·费奥菲洛夫摄

圣大科学家们找到了一种解决方案,即带有集成冷却系统的大尺寸支撑结构桁架,却仅有几克重:例如,一米半长的面板仅重 33 克。这些传感器提供的分辨率是破纪录式的,可用于检测包括粲夸克在内的粒子衰变的峰值。圣大科学家们开发的独创技术如超轻技术、辐射透明技术、集成冷却系统的碳复合材料支撑结构技术,都获得了专利。

在测试新一代 ALICE 内部跟踪系统时,科学家们发现并消除了技术故障,后者在将来可能会影响整个综合体的运行。例如,来自圣大的工程师团队开发了一种耐用且轻巧的碳复合材料“火箭”,解决第二代内部跟踪系统的通用支撑问题以及 ALICE 设施中心位置的信号电缆布置问题。“实验设计工作进行了优化,如今,来自圣大的新解决方案确保了整个第二代内部跟踪系统实验的正常运行”,格里高利·费奥菲洛夫说道。

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圣大 CERN 项目首席工程师谢尔盖·伊戈尔金(Сергей Иголкин)与第二代内部跟踪系统碳复合结构外壳,后者用于容纳第二代内部跟踪系统的信号电缆和冷却系统通道。

ALICE 合作照片

两年来,第二代内部跟踪系统通过了昼夜不间断测试。圣大员工 2019 年在 ALICE 实验中工作了 42 个内部跟踪系统班次,2020 年尽管因 COVID-19 疫情存在各类限制,也工作了20 个班次。

即使在疫情期间,我们也继续与 ALICE 的进行大量合作工作,分析 2009-2018 年积累的实验数据,并在会议上展示成果,而这些会议大多数都是在线和举行的。到 2020 年,我们合作在世界顶尖学术期刊上发表了 30 多篇论文,与以前每年发表的论文数量几乎相同。

——圣大核物理研究方法教研室研究员,ALICE 项目物理工作组(PWG-CF)的协调员伊戈尔·阿雷希别耶夫(Игорь Алыцбеев)

阿雷希别耶夫补充说,关于质子与含有奇夸克的重子之间相互作用的高精度数据可以认为是今年合作的主要科学成果之一。在对撞机的强子碰撞中,这些粒子是从尺寸为 1 飞米量级的源中产生和发射的,可以通过实验研究粒子之间强相互作用的影响,其准确度超过了现有的量子色动力学数值模型的准确性。

“这些数据对于理解中子星深处发生的过程尤其重要。我想指出,圣大小组直接参与了对《Nature》杂志上发表的研究成果的评阅,而成果本身是根据圣大参与搭建的内部跟踪系统的数据得出的”,伊戈尔·阿雷希别耶夫说道。

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圣大工程师瓦基姆·卡奇切夫(Вадим Какичев)与圣大 CERN 项目首席工程师谢尔盖·伊戈尔金(靠后者)正在欧洲核子研究组织组装第二代内部跟踪系统碳复合材料结构。

ALICE 合作照片

除了参加欧洲核子研究组织的第二代内部跟踪系统组装和测试外,2020 年圣大科学家们还根据应用对第三代内部跟踪系统进行概念设计,新一代内部跟踪系统用于大型强子对撞机原子核碰撞中检测粲介子,这是一种大尺寸(140×140 毫米)超薄( 20 微米)的硅晶传感器。在传感器冷却系统的全新概念中,科学家们准备使用最小流速的冷却氮气或冷却干燥空气,这对于消除大型超波传感器的振动非常重要。

防止工作区域中形成冷凝水的解决方案正在单独进行研究。博士研究生德米特里·涅斯捷罗夫(Дмитрий Нестеров)和硕士研究生阿丽娜·拉赫马图林娜(Алина Рахматуллина)正与经验丰富的科学家们一起研究这一概念。 2020 年,我校研究人员提出的建议被选入《欧洲高能物理战略》圣大计划在 2021 年至 2025 年继续这些富有前景的工作,并吸纳本科生、研究生和年轻科学家的参与。

在 2021 年完成对大型强子对撞机的改进后,预计粒子束强度将增加十倍,这将有可能记录粲粒子生成中的罕见过程。这也将使夸克胶子等离子体的性质研究更加深入。

——圣大超高能物理实验室负责人,圣大高能粒子与基本粒子教研室副教授格里高利·费奥菲洛夫

“为什么粲粒子如此有趣?事情在于,它们包含的 c 夸克和 b 夸克相当重,不容易在高温夸克胶子等离子体中形成。强子相互作用的初始阶段它们很少产生。这些粲粒子可以为夸克胶子等离子体的“透视”或“断层扫描”服务。

“抓住”粒子的诞生

除了 ALICE 实验之外,圣大科学家还积极参与欧洲核子研究组织的 NA61/SHINE 强互作用力项目——这是全球最大的研究相对论原子核碰撞中粒子产生过程的固定设施。

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格里高利·费奥菲洛夫参加欧洲核子研究组织开放日活动(2019 年)。ALICE 合作照片

NA61/SHINE 实验在质子超级同步加速器进行——后者是大型强子对撞机的一个相对较小的环。圣大科学家为创建独特的双回路氦离子导管做出了重大贡献,它使重离子束的强度增加了十倍,也为该装置的新型峰值探测器的开发做出了贡献。圣大小组和 NA61/SHINE 国际科学合作的主要研究兴趣集中在普通强子物质与夸克胶子等离子体之间的相变研究。此外,圣大科学家们还参与实验性搜索,以在强相互作用核物质的相图上寻找一阶相变的假设临界点。

圣大开发的独创研究方法与波动分析以及所谓的相空间远区域可观测物之间的远距离对射有关,运用高强度变量来确定粒子源的性质,开发分析相关函数特征的理论方法,后者可以作为新物理现象,即夸克胶子弦的融合的标志。

同样,由圣大科学家提出的远距离对射研究也提供了有关夸克胶子等离子体形成初期阶段的信息,这对于理解其演化过程非常重要。

NA61/SHINE 数据分析的新方法开发以及理论方法的研发正在由圣大超高能物理实验室的年轻实验员们积极进行,他们是博士研究生达莉亚·普罗霍罗娃(Дарья Прохорова)、物理数学副博士叶甫盖尼·安德罗诺夫(Евгений Андронов)助教、助理研究员安德烈·谢里亚科夫(Андрей Серяков)。自 2019 年以来,谢里亚科夫一直是欧洲核子研究组织

NA61/SHINE 实验的推广和研究访问的官方协调员。

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圣大超高能物理实验室的年轻员工(从左到右):叶甫盖尼·安德罗诺夫、安德烈·谢里亚科夫和达莉亚·普罗霍罗娃

大数据为物理学服务

从现代实验的数据中提取物理学成果的工作需要谨慎的手法和大量的时间。使用所谓的高强度变量(不包括微波动)对大型强子对撞机若干种能量下质子碰撞的 ALICE 实验数据进行详细分析,需要博士研究生安德烈·叶罗欣(Андрей Ерохин)进行两年以上的不懈努力。最终他获得了新的数据,证实了质子碰撞中形成新型源的假说,新型源的特征是具有较高的能量密度——可能源自形成的弦簇。圣大博士研究生斯维特兰娜·别洛库罗娃(Светлана Белокурова)基于弦方法开发了一个独特的理论模型,该模型解释了强子碰撞中夸克胶子弦簇混合物的形成,这便可以解释许多观测到的物理效应。 。

年轻实验室工作人员们自 2016 年以来一直在开发另一方向,将机器学习方法应用于夸克胶子介质的性质分析。在商业和银行业中使用的处理大量数据的现代方法(大数据和数据挖掘)已在物理学中得到应用。

例如,它们可用于发掘相对论原子核碰撞过程的新属性,优化物理模型的参数,提高跟踪效率,识别粒子类型,通过中心度选择事件,甚至用于找到方程组的精确解析解(该研究得到了俄罗斯科学基金会项目编号 No. 17-72-20045 的资助,项目负责人伊戈尔·阿雷希别耶夫)。

此外,超高能物理实验室的研究员安德烈·扎罗琴采夫(Андрей Зароченцев)十多年来一直担任 ALICE 数据存储和处理系统中所有俄罗斯站点的协调员。这极大地帮助了圣大专家和学生访问和处理从大型强子对撞机接收到的数据。这个工作领域既包括对 WLCG (全球大型强子对撞机计算网格)网络中 ALICE 项目俄罗斯部分的支持,也包括圣大参与俄罗斯数据湖 DataLake 的开发。

“现代基础实验是如此复杂,以至于需要理论家、实验员、工程师和技术人员以及 IT 专家的共同努力。重要的是,在解决所提出的现实问题时直接吸纳圣大本科生和研究生加入研究工作,对他们进行培养。同样重要的是,实验室的年轻员工也正在培养下一代物理学家,为中学生讲述自己的工作,为他们举办大师班和研讨会。我们认为,必须支持圣彼得堡物理学流派的这种继承性”,格里高利·费奥菲洛夫说道。